壓電式傳感器 (3)

1、關(guān)于壓電式傳感器 (3)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第一頁，共57頁 概述 壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質(zhì)材料壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng)，是典型的有源傳感器。的壓電效應(yīng)，是典型的有源傳感器。u當(dāng)某些材料受力作用而變形時，其表面會有電當(dāng)某些材料受力作用而變形時，其表面會有電荷產(chǎn)生，從而實現(xiàn)非電量測量。荷產(chǎn)生，從而實現(xiàn)非電量測量。u壓電式傳感器具有體積小，重量輕，工作頻帶寬、壓電式傳感器具有體積小，重量輕，工作頻帶寬、靈敏度高、工作可靠、測量范圍廣等特點，因此在靈敏度高、工作可靠、測量范圍廣等特點，因此在各種動態(tài)力、各種動態(tài)力、 機(jī)械沖擊與振動的測量，以及聲學(xué)、機(jī)械沖擊與振動的測量，

2、以及聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航等方面都得到了非常廣泛的應(yīng)用。醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航等方面都得到了非常廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二頁，共57頁5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料u某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾兡承╇娊橘|(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個形時，其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，其又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱壓電效其又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。應(yīng)。u當(dāng)作用力方向改變時，電荷的極性也隨之改變。有時當(dāng)作用力方向改變時，電荷的極性也隨之改變。有時人們

3、把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能的現(xiàn)象，稱為人們把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能的現(xiàn)象，稱為“正壓電效正壓電效應(yīng)應(yīng)”。相反，當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場，這些電。相反，當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場，這些電介質(zhì)也會產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象稱為介質(zhì)也會產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)”（電致伸縮效應(yīng)）。（電致伸縮效應(yīng)）?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三頁，共57頁5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料u具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料，壓電材料能具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料，壓電材料能實現(xiàn)機(jī)實現(xiàn)機(jī)電能量的相互轉(zhuǎn)換電能量的相互轉(zhuǎn)換電能機(jī)械能正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四頁，共57頁5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料u石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是

4、性能優(yōu)良石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。的壓電材料。u壓電材料可以分為兩大類：壓電晶體和壓電陶瓷。壓電材料可以分為兩大類：壓電晶體和壓電陶瓷。前者為晶體，后者為極化處理的多晶體。前者為晶體，后者為極化處理的多晶體。u他們都具有較大的壓電常數(shù)，機(jī)械性能良好，時間穩(wěn)他們都具有較大的壓電常數(shù)，機(jī)械性能良好，時間穩(wěn)定性好，溫度穩(wěn)定性好等特性，所以是較理想的壓電定性好，溫度穩(wěn)定性好等特性，所以是較理想的壓電材料。材料。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五頁，共57頁5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料u 壓電材料的主要特性參數(shù)壓電材料的主要特性參數(shù)有：有： （1 1） 壓電常數(shù)：壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的

5、壓電常數(shù)：壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)，它直接關(guān)系到壓電輸出的靈敏度。參數(shù)，它直接關(guān)系到壓電輸出的靈敏度。（2 2） 彈性常數(shù)：壓電材料的彈性常數(shù)、彈性常數(shù)：壓電材料的彈性常數(shù)、 剛度決定著壓電器剛度決定著壓電器件的固有頻率和動態(tài)特性。件的固有頻率和動態(tài)特性。（3 3） 介電常數(shù)：對于一定形狀、尺寸的壓電元件，介電常數(shù)：對于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數(shù)有關(guān)；而固有電容又影響著其固有電容與介電常數(shù)有關(guān)；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。壓電傳感器的頻率下限。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六頁，共57頁 (4 (4） 機(jī)械耦合系數(shù)：在壓電效應(yīng)中，其值等于轉(zhuǎn)換輸機(jī)械耦合系數(shù)：在壓電

6、效應(yīng)中，其值等于轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機(jī)械能）之比出能量（如電能）與輸入的能量（如機(jī)械能）之比的平方根；的平方根； 它是衡量壓電材料機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率它是衡量壓電材料機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率的一個重要參數(shù)。的一個重要參數(shù)。（5 5）電阻壓電材料的絕緣電阻：將減少電荷泄漏，從）電阻壓電材料的絕緣電阻：將減少電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性。而改善壓電傳感器的低頻特性。（6 6） 居里點：壓電材料開始喪失壓電特性的溫度點稱居里點：壓電材料開始喪失壓電特性的溫度點稱為居里點。為居里點。5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七頁，共57頁5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料5.1.1 5.1.1

7、石英晶體石英晶體u石英晶體化學(xué)式為石英晶體化學(xué)式為SiO2SiO2（二氧化硅），是單晶體結(jié)構(gòu)（二氧化硅），是單晶體結(jié)構(gòu)u它的轉(zhuǎn)換效率和轉(zhuǎn)換精度高、線性范圍寬、重復(fù)性好、它的轉(zhuǎn)換效率和轉(zhuǎn)換精度高、線性范圍寬、重復(fù)性好、固有頻率高、動態(tài)特性好、工作溫度高達(dá)固有頻率高、動態(tài)特性好、工作溫度高達(dá)550550（壓（壓電系數(shù)不隨溫度而改變）、工作濕度高達(dá)電系數(shù)不隨溫度而改變）、工作濕度高達(dá)100%100%、穩(wěn)定、穩(wěn)定性好。性好。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第八頁，共57頁5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料u上圖表示了天然結(jié)構(gòu)的石英晶體外形。它是一個正六面上圖表示了天然結(jié)構(gòu)的石英晶體外形。它是一個正六面體。石英晶體各個方向的特性是

8、不同的。體。石英晶體各個方向的特性是不同的。u其中縱向軸其中縱向軸z z稱為光軸，經(jīng)過六面體棱線并垂直于光軸的稱為光軸，經(jīng)過六面體棱線并垂直于光軸的x x軸稱為電軸，與軸稱為電軸，與x x和和z z軸同時垂直的軸軸同時垂直的軸y y稱為機(jī)械軸。稱為機(jī)械軸?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第九頁，共57頁5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料u把沿電軸把沿電軸x x方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向縱向壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)”u把沿機(jī)械把沿機(jī)械y y方向的作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為方向的作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫橫向壓電效應(yīng)向壓電效應(yīng)”u沿光軸沿光軸z z方向受力時不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。

9、方向受力時不產(chǎn)生壓電效應(yīng)?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十頁，共57頁5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料u若從晶體上沿若從晶體上沿y y方向切下一塊如圖所示晶片，當(dāng)在電軸方向切下一塊如圖所示晶片，當(dāng)在電軸方向施加作用力方向施加作用力 時，在與電軸時，在與電軸x x垂直的平面上將產(chǎn)生垂直的平面上將產(chǎn)生電荷電荷QxQx，其大小為，其大小為式中：式中： x x方向受力的壓電系數(shù)；方向受力的壓電系數(shù)； 作用力。作用力。11xxQdF11dxFxF現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十一頁，共57頁5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料u若在同一切片上，沿機(jī)械軸若在同一切片上，沿機(jī)械軸y y方向施加作用力方向施加作用力 ，則，則仍在與仍在與x x軸垂直的平面上

10、產(chǎn)生電荷軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷QyQy，其大小為：，其大小為： yF式中： y軸方向受力的壓電系數(shù)， a、b晶體切片長度和厚度。電荷Qx和Qy的符號由所受力的性質(zhì)決定。12d1211dd 12yyQdF現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十二頁，共57頁5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料u石英晶體的上述特性與其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。下圖是一個石英晶體的上述特性與其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。下圖是一個單元組體中構(gòu)成石英晶體的硅離子和氧離子，在垂直于單元組體中構(gòu)成石英晶體的硅離子和氧離子，在垂直于z z軸軸的的xyxy平面上的投影，等效為一個正六邊形排列。圖中平面上的投影，等效為一個正六邊形排列。圖中“+”+” 代表代表 離子，離子，“-

11、”-” 代表氧離子代表氧離子4Si2O石英晶體壓電模型現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十三頁，共57頁5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料u當(dāng)石英晶體未受外力作用時，正、負(fù)離子正好分布當(dāng)石英晶體未受外力作用時，正、負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上，形成三個互成在正六邊形的頂角上，形成三個互成120120夾角的電夾角的電偶極矩偶極矩P1P1、P2P2、P3P3。此時正負(fù)電荷重心重合，電。此時正負(fù)電荷重心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即偶極矩的矢量和等于零，即P1+P2+P3= 0P1+P2+P3= 0，所以晶體，所以晶體表面不產(chǎn)生電荷，即呈中性。表面不產(chǎn)生電荷，即呈中性。u當(dāng)石英晶體受到沿當(dāng)石英晶體受到沿x x軸方向的壓力

12、作用時，晶體沿軸方向的壓力作用時，晶體沿x x方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形，正負(fù)離子的相對位置也隨之方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形，正負(fù)離子的相對位置也隨之變動。如圖（變動。如圖（b b）所示，此時正負(fù)電荷重心不再重合，）所示，此時正負(fù)電荷重心不再重合，即（即（P1+P2+P3P1+P2+P3）x 0 x 0 。在。在x x軸的正方向出現(xiàn)正電荷，軸的正方向出現(xiàn)正電荷，電偶極矩在電偶極矩在y y方向上的分量仍為零，不出現(xiàn)電荷。方向上的分量仍為零，不出現(xiàn)電荷。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十四頁，共57頁5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料u當(dāng)晶體受到沿當(dāng)晶體受到沿y y軸方向的壓力作用時，晶體變形如軸方向的壓力作用時，晶體變形如圖（圖（c c

13、）所示，與圖（）所示，與圖（b b）情況相似，）情況相似，P1P1增大，增大，P2P2、P P3 3 減小。在減小。在x x軸上出現(xiàn)電荷，它的極性為軸上出現(xiàn)電荷，它的極性為x x軸正向為軸正向為負(fù)電荷。在負(fù)電荷。在y y軸方向上不出現(xiàn)電荷。軸方向上不出現(xiàn)電荷。u如果沿如果沿z z軸方向施加作用力，因為晶體在軸方向施加作用力，因為晶體在x x方向和方向和y y方方向所產(chǎn)生的形變完全相同，所以正負(fù)電荷重心保持重向所產(chǎn)生的形變完全相同，所以正負(fù)電荷重心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。這表明沿合，電偶極矩矢量和等于零。這表明沿z z軸方向施加軸方向施加作用力，晶體不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)。作用力，晶體不會產(chǎn)生

14、壓電效應(yīng)。u當(dāng)作用力當(dāng)作用力FxFx、FyFy的方向相反時，電荷的極性也隨之的方向相反時，電荷的極性也隨之改變。改變。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十五頁，共57頁5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料 重量結(jié)論：重量結(jié)論： 無論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）無論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與電荷（或電場強(qiáng)度）之間呈線性關(guān)系；與電荷（或電場強(qiáng)度）之間呈線性關(guān)系； 晶體在哪個方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向晶體在哪個方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向上一定存在逆壓電效應(yīng)；上一定存在逆壓電效應(yīng)； 石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的。石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十六頁，共57頁5.1 壓

15、電效應(yīng)及壓電材料5.1.2 5.1.2 壓電陶瓷壓電陶瓷u壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。在無外電場作壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。在無外電場作用時，電疇在晶體中雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互用時，電疇在晶體中雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零，因此原始的壓電陶瓷抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零，因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)。呈中性，不具有壓電性質(zhì)?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十七頁，共57頁5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料5.1.2 5.1.2 壓電陶瓷壓電陶瓷u在陶瓷上施加外電場時，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動，在陶瓷上施加外電場時，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動，從而使材料得到極

16、化。讓外電場強(qiáng)度大到使材料的極從而使材料得到極化。讓外電場強(qiáng)度大到使材料的極化達(dá)到飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊地與化達(dá)到飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致時，外電場去掉后，電疇的極化方向外電場方向一致時，外電場去掉后，電疇的極化方向基本不變，即剩余極化強(qiáng)度很大，這時的材料才具有基本不變，即剩余極化強(qiáng)度很大，這時的材料才具有壓電特性。如圖。壓電特性。如圖?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十八頁，共57頁5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料u 當(dāng)陶瓷材料受到外力作用時，電疇的界限發(fā)生移動，電疇發(fā)生當(dāng)陶瓷材料受到外力作用時，電疇的界限發(fā)生移動，電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而引起剩余極化強(qiáng)度的變化，因而在垂直于極

17、化方向偏轉(zhuǎn)，從而引起剩余極化強(qiáng)度的變化，因而在垂直于極化方向的平面上將出現(xiàn)極化電荷的變化。這種因受力而產(chǎn)生的由機(jī)械的平面上將出現(xiàn)極化電荷的變化。這種因受力而產(chǎn)生的由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是壓電陶效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)。電荷量的大小與外力成正比關(guān)系：瓷的正壓電效應(yīng)。電荷量的大小與外力成正比關(guān)系：上式中：上式中： d d3333 壓電陶瓷的壓電系數(shù)；壓電陶瓷的壓電系數(shù)； F F 作用力。作用力。33Qd F現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十九頁，共57頁5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料u壓電陶瓷與石英晶體的比較壓電陶瓷與石英晶體的比較u壓電陶瓷的壓

18、電系數(shù)比石英晶體的大得多，所以采用壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多，所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高。但極化壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高。但極化處理后的壓電陶瓷材料的剩余極化強(qiáng)度和特性與溫度處理后的壓電陶瓷材料的剩余極化強(qiáng)度和特性與溫度有關(guān)，它的參數(shù)也隨時間變化，從而使其壓電特性減有關(guān)，它的參數(shù)也隨時間變化，從而使其壓電特性減弱。弱。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十頁，共57頁5.2 壓電式傳感器的等效電路u由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可以看作由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可以看作一個電荷發(fā)生器。同時，它也是一個電容器，晶體上一個電荷發(fā)生器。同時，它也是一個電容

19、器，晶體上聚集等量的正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個極板，聚集等量的正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個極板，極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì)，則其電容量為極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì)，則其電容量為式中：式中：AA壓電片的面積；壓電片的面積；dd壓電片的厚度；壓電片的厚度； 空氣介電常數(shù)（其值為空氣介電常數(shù)（其值為8.868.86 /cm /cm）；）； 壓電材料的相對介電常數(shù)。壓電材料的相對介電常數(shù)。0(54)raACd 0r410 F現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十一頁，共57頁5.2 壓電式傳感器的等效電路u 壓電傳感器可以等效為一個與電容相串聯(lián)的壓電傳感器可以等效為一個與電容相串聯(lián)的電壓源電壓源。如圖所示，。如圖所

20、示，電容器上的電壓電容器上的電壓UaUa、電荷量、電荷量Q Q和電容量和電容量CaCa三者關(guān)系為：三者關(guān)系為：u由圖可知，只有在外電路負(fù)載無窮大，且內(nèi)部無漏電時，由圖可知，只有在外電路負(fù)載無窮大，且內(nèi)部無漏電時，受力產(chǎn)生的電壓受力產(chǎn)生的電壓U U才能長期保持不變；如果負(fù)載不是無窮才能長期保持不變；如果負(fù)載不是無窮大，則電路要以時間常數(shù)大，則電路要以時間常數(shù)R RL LC Ce e按指數(shù)規(guī)律放電。按指數(shù)規(guī)律放電?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十二頁，共57頁5.2 壓電式傳感器的等效電路u壓電傳感器也可以等效為一個電荷源于電容相并聯(lián)電路，壓電傳感器也可以等效為一個電荷源于電容相并聯(lián)電路，如圖所示。如圖所示。現(xiàn)

21、在學(xué)習(xí)的是第二十三頁，共57頁5.2 壓電式傳感器的等效電路u壓電傳感器在實際使用時總要與測量儀器或測量電路相壓電傳感器在實際使用時總要與測量儀器或測量電路相連接，因此還須考慮連接電纜的等效電容連接，因此還須考慮連接電纜的等效電容CcCc，放大器的，放大器的輸入電阻輸入電阻RiRi，輸入電容，輸入電容CiCi以及壓電傳感器的泄漏電阻以及壓電傳感器的泄漏電阻RaRa，壓電傳感器在測量系統(tǒng)中的實際等效電路：壓電傳感器在測量系統(tǒng)中的實際等效電路：（a）電壓源 （b）電荷源圖 壓電傳感器的實際等效電路現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十四頁，共57頁5.3 壓電式傳感器的測量電路u壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，輸出能量較

22、小。壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，輸出能量較小。u為了保證壓電傳感器的測量誤差較小，它的測量電為了保證壓電傳感器的測量誤差較小，它的測量電路通常需要接入一個高輸入阻抗的前置放大器，其路通常需要接入一個高輸入阻抗的前置放大器，其作用為：作用為：一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；二是放大傳感器輸出的微弱信號。二是放大傳感器輸出的微弱信號。u壓電傳感器的輸出可以是電壓信號，也可以是電荷壓電傳感器的輸出可以是電壓信號，也可以是電荷信號，因此前置放大器也有兩種形式：電壓放大器信號，因此前置放大器也有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。和電荷放大器。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十

23、五頁，共57頁5.3 壓電式傳感器的測量電路1 1電壓放大器（阻抗變換器）電壓放大器（阻抗變換器）現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十六頁，共57頁5.3 壓電式傳感器的測量電路u下圖給出了一個電壓放大器的具體電路。它具有很高下圖給出了一個電壓放大器的具體電路。它具有很高的輸入阻抗的輸入阻抗(1000M)(1000M)和很低的輸出阻抗和很低的輸出阻抗(100)(100)，因此使，因此使用該阻抗變換器可將高阻抗的壓電傳感器與一般放大器匹配。用該阻抗變換器可將高阻抗的壓電傳感器與一般放大器匹配。圖 電壓放大器現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十七頁，共57頁5.3 壓電式傳感器的測量電路uBG1BG1為為MOSMOS場效應(yīng)管，做阻抗

24、變換，場效應(yīng)管，做阻抗變換，R R3 3為為100M100M； BG2BG2管對輸入端形成負(fù)反饋，以進(jìn)一步提高輸入阻抗。管對輸入端形成負(fù)反饋，以進(jìn)一步提高輸入阻抗。R R4 4既是既是BG1BG1的源極接地電阻，也是的源極接地電阻，也是BG2BG2的負(fù)載電阻，的負(fù)載電阻，R R4 4上的交上的交變電壓通過變電壓通過C C2 2反饋到場效應(yīng)管反饋到場效應(yīng)管BG1BG1的輸入端，使的輸入端，使A A點電位提點電位提高，保證較高的高，保證較高的交流輸入阻抗交流輸入阻抗。由。由BG1BG1構(gòu)成的輸入極，構(gòu)成的輸入極，其輸入阻抗為其輸入阻抗為12312(5 11)iR RRRRR現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十八頁，

25、共57頁5.3 壓電式傳感器的測量電路u引進(jìn)引進(jìn)BG2BG2，構(gòu)成第二級對第一級負(fù)反饋后，其輸入阻抗為，構(gòu)成第二級對第一級負(fù)反饋后，其輸入阻抗為u式中式中AuAu是是BG1BG1源極輸出器的電壓增益，其值接近源極輸出器的電壓增益，其值接近1 1，所以，所以RifRif可以提高到幾百到幾千兆歐可以提高到幾百到幾千兆歐(5 12)1iifuRRA現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十九頁，共57頁5.3 壓電式傳感器的測量電路u 電壓放大器的應(yīng)用具有一定的應(yīng)用限制，壓電式傳感器在與電壓放大器的應(yīng)用具有一定的應(yīng)用限制，壓電式傳感器在與電壓放大器配合使用時，連接電纜不能太長。電纜長，電纜電壓放大器配合使用時，連接電纜不能

26、太長。電纜長，電纜電容電容CcCc就大，電纜電容增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低。就大，電纜電容增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低。不過由于固態(tài)電子器件和集成電路的迅速發(fā)展，微型電壓放不過由于固態(tài)電子器件和集成電路的迅速發(fā)展，微型電壓放大電路可以和傳感器做成一體，這樣這一問題就可以得到克大電路可以和傳感器做成一體，這樣這一問題就可以得到克服，使它具有廣泛的應(yīng)用前景。服，使它具有廣泛的應(yīng)用前景?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十頁，共57頁5.3 壓電式傳感器的測量電路2 2電荷放大器電荷放大器u電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，由一個帶反饋電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，由一個帶反饋電容電容Cf的高增

27、益運算放大器構(gòu)成的高增益運算放大器構(gòu)成,電荷放大器可用前面所講電荷放大器可用前面所講的等效電路，圖中的等效電路，圖中K為運算放大器增益，為運算放大器增益， -K表示放大器表示放大器的輸入與輸出反向。的輸入與輸出反向。圖5-8 電荷放大器等效電路現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十一頁，共57頁5.3 壓電式傳感器的測量電路u由于運算放大器輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒有由于運算放大器輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒有分流，其輸出電壓分流，其輸出電壓 為為: :式中：式中： 放大器輸出電壓；放大器輸出電壓； 反饋電容兩端電壓。反饋電容兩端電壓。u通常通常A=104A=104106106，因此若滿足，因此若滿足

28、時上式可表示為時上式可表示為0(5 14)(1)acifKQUCCCK C 0U1faciK CCCC(5 15)ofQUC 0UCfU現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十二頁，共57頁5.3 壓電式傳感器的測量電路u由上式可見，電荷放大器的輸出電壓由上式可見，電荷放大器的輸出電壓 與電纜電容與電纜電容C Cc c無關(guān)，且與無關(guān)，且與Q Q成正比，這是電荷放大器的最大特成正比，這是電荷放大器的最大特點。點。u但電荷放大器的價格比電壓放大器高，電路較復(fù)雜，但電荷放大器的價格比電壓放大器高，電路較復(fù)雜，調(diào)整也較困難。調(diào)整也較困難。u要注意的是，在實際應(yīng)用中，電壓放大器和電荷放要注意的是，在實際應(yīng)用中，電壓放大器和電

29、荷放大器都應(yīng)加過載放大保護(hù)電路，否則在傳感器過載大器都應(yīng)加過載放大保護(hù)電路，否則在傳感器過載時，會產(chǎn)生過高的輸出電壓。時，會產(chǎn)生過高的輸出電壓。0U(5 15)ofQUC 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十三頁，共57頁5.4 壓電式傳感器的應(yīng)用 壓電元件是一類典型的力敏感元件，可用來測量最壓電元件是一類典型的力敏感元件，可用來測量最終能轉(zhuǎn)換成力的多種物理量。終能轉(zhuǎn)換成力的多種物理量。1壓電式加速度傳感器2壓電式壓力傳感器3壓電式流量計4集成壓電式傳感器5壓電式傳感器在自來水管道測漏中的應(yīng)用現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十四頁，共57頁運動方向21345縱向效應(yīng)型加速度傳感器的截面圖1 壓電式加速度傳感器其結(jié)構(gòu)一般有縱向效

30、應(yīng)型、橫向效應(yīng)型和剪切效應(yīng)型三種。縱向效應(yīng)是最常見的,如圖。壓電陶瓷4和質(zhì)量塊2為環(huán)型，通過螺母3對質(zhì)量塊預(yù)先加載，使之壓緊在壓電陶瓷上。測量時將傳感器基座5與被測對象牢牢地緊固在一起。輸出信號由電極1引出。5.4 壓電式傳感器的應(yīng)用現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十五頁，共57頁 當(dāng)傳感器感受振動時，因為質(zhì)量塊相對被測體質(zhì)量較小，因此質(zhì)量塊感受與傳感器基座相同的振動，并受到與加速度方向相反的慣性力，此力Fma。同時慣性力作用在壓電陶瓷片上產(chǎn)生電荷為 3運動方向2145縱向效應(yīng)型加速度傳感器的截面圖qd33Fd33ma5.4 壓電式傳感器的應(yīng)用現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十六頁，共57頁此式表明電荷量直接反映加速度大小。

31、其靈敏度與壓電材料壓電系數(shù)和質(zhì)量塊質(zhì)量有關(guān)。為了提高傳感器靈敏度，一般選擇壓電系數(shù)大的壓電陶瓷片。若增加質(zhì)量塊質(zhì)量會影響被測振動，同時會降低振動系統(tǒng)的固有頻率，因此一般不用增加質(zhì)量辦法來提高傳感器靈敏度。此外用增加壓電片數(shù)目和采用合理的連接方法也可提高傳感器靈敏度。 5.4 壓電式傳感器的應(yīng)用qd33Fd33ma現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十七頁，共57頁5.4 壓電式傳感器的應(yīng)用應(yīng)用實例：應(yīng)用實例： 微振動檢測儀微振動檢測儀uPV-96PV-96壓電加速度傳感器可用來檢測微振動，其電路原理圖如圖壓電加速度傳感器可用來檢測微振動，其電路原理圖如圖所示。該電路由電荷放大器和電壓調(diào)整放大器組成。所示。該電路由

32、電荷放大器和電壓調(diào)整放大器組成?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十八頁，共57頁5.4 壓電式傳感器的應(yīng)用u第一級是電荷放大器，其低頻響應(yīng)由反饋電容第一級是電荷放大器，其低頻響應(yīng)由反饋電容C C1 1和反和反饋電阻饋電阻R R1 1決定。低頻截止頻率為決定。低頻截止頻率為0.053Hz0.053Hz。R RF F是過載保護(hù)電是過載保護(hù)電阻。阻。CoCcR110GRF1MR3100kR4130kR5890kR6150k-+AD544/TO3260C1300pC247uw130kC32000pw2100k-+UA7763265810V輸出加速度傳感器PV-96現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十九頁，共57頁5.4 壓電式傳感器的

33、應(yīng)用u第二級為輸出調(diào)整放大器，調(diào)整電位器第二級為輸出調(diào)整放大器，調(diào)整電位器WW1 1可使其輸出約可使其輸出約為為50mV/gal (1gal=1cm/s50mV/gal (1gal=1cm/s2 2) )。CoCcR110GRF1MR3100kR4130kR5890kR6150k-+AD544/TO3260C1300pC247uw130kC32000pw2100k-+UA7763265810V輸出加速度傳感器PV-96現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十頁，共57頁5.4 壓電式傳感器的應(yīng)用u在低頻檢測時，頻率愈低，閃變效應(yīng)的噪聲愈大在低頻檢測時，頻率愈低，閃變效應(yīng)的噪聲愈大, ,該電路該電路的噪聲電平主要由電

34、荷放大器的噪聲決定，為了降低噪的噪聲電平主要由電荷放大器的噪聲決定，為了降低噪聲，最有效的方法是減小電荷放大器的反饋電容。但是聲，最有效的方法是減小電荷放大器的反饋電容。但是當(dāng)時間常數(shù)一定時，由于當(dāng)時間常數(shù)一定時，由于C C1 1和和R R1 1呈反比關(guān)系，考慮到呈反比關(guān)系，考慮到穩(wěn)定性，則反饋電容穩(wěn)定性，則反饋電容C C1 1的減小應(yīng)適當(dāng)。的減小應(yīng)適當(dāng)。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十一頁，共57頁2 壓電式壓力傳感器 根據(jù)使用要求不同，壓電式測壓傳感器有各種不同的結(jié)構(gòu)形式。但它們的基本原理相同。 壓電式測壓傳感器的原理簡圖。它由引線1、殼體2、基座3、壓電晶片4、受壓膜片5及導(dǎo)電片6組成。5.4 壓電式

35、傳感器的應(yīng)用123456p壓電式測壓傳感器原理圖現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十二頁，共57頁當(dāng)膜片5受到壓力P作用后，則在壓電晶片上產(chǎn)生電荷。在一個壓電片上所產(chǎn)生的電荷q為 SPdFdq1111F作用于壓電片上的力；d11壓電系數(shù)；P壓強(qiáng)， ；S膜片的有效面積。SFP 123456p壓電式測壓傳感器原理圖5.4 壓電式傳感器的應(yīng)用現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十三頁，共57頁 測壓傳感器的輸入量為壓力P，如果傳感器只由一個壓電晶片組成，則根據(jù)靈敏度的定義有： PqkqPUku0Sdkq1100CqU 011CSdku因為 ，所以電壓靈敏度也可表示為 U0壓電片輸出電壓；C0壓電片等效電容電荷靈敏度電壓靈敏度電荷靈敏度5

36、.4 壓電式傳感器的應(yīng)用現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十四頁，共57頁5.4 壓電式傳感器的應(yīng)用應(yīng)用實例：應(yīng)用實例： 基于基于PVDFPVDF壓電膜傳感器的脈象儀壓電膜傳感器的脈象儀u由于由于PDVF(PDVF(聚偏氟乙烯聚偏氟乙烯) )壓電薄膜具有變力響應(yīng)靈敏度高、壓電薄膜具有變力響應(yīng)靈敏度高、柔韌、易于制備，可緊貼皮膚等特點，因此可用人手指端大柔韌、易于制備，可緊貼皮膚等特點，因此可用人手指端大小的壓電膜制成可感應(yīng)人體脈搏壓力波變化的脈搏傳感器。小的壓電膜制成可感應(yīng)人體脈搏壓力波變化的脈搏傳感器。脈象儀的硬件組成如圖脈象儀的硬件組成如圖5-105-10所示：所示：壓電薄膜線性電荷放大電路帶通濾波器和50

37、Hz工頻陷波器電壓放大器處理器A/D圖5-10 脈象儀的硬件組成現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十五頁，共57頁5.4 壓電式傳感器的應(yīng)用u因壓電薄膜內(nèi)阻很高，且脈搏信號微弱，設(shè)計其前置電因壓電薄膜內(nèi)阻很高，且脈搏信號微弱，設(shè)計其前置電荷放大器有兩個作用，荷放大器有兩個作用，一是與換能器阻抗匹配，把高阻抗輸入變?yōu)榈妥杩馆斠皇桥c換能器阻抗匹配，把高阻抗輸入變?yōu)榈妥杩馆敵觯怀?；二是將微弱電荷轉(zhuǎn)換成電壓信號并放大。二是將微弱電荷轉(zhuǎn)換成電壓信號并放大。u為提高測量的精度和靈敏度，前置放大電路采用為提高測量的精度和靈敏度，前置放大電路采用線性修正的電荷放大電路，可獲得較低的下限頻線性修正的電荷放大電路，可獲得較低的下限

38、頻率，消除電纜的分布電容對靈敏度的影響，使設(shè)率，消除電纜的分布電容對靈敏度的影響，使設(shè)計的傳感器體積小型化。計的傳感器體積小型化。u在一般的電荷放大器設(shè)計中，時間常數(shù)要求很大在一般的電荷放大器設(shè)計中，時間常數(shù)要求很大( (一般一般在在 以上以上) )，在小型的，在小型的PVDFPVDF脈搏傳感器中，很難實脈搏傳感器中，很難實現(xiàn)，因為反饋電容不能選得太小。現(xiàn)，因為反饋電容不能選得太小。510 s現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十六頁，共57頁5.4 壓電式傳感器的應(yīng)用u在時間常數(shù)不足夠大的情況下在時間常數(shù)不足夠大的情況下( (小于小于100s)100s)，電荷放，電荷放大器的輸出電壓跟換能器受到的壓力成非線性關(guān)

39、大器的輸出電壓跟換能器受到的壓力成非線性關(guān)系，因此需要對電荷放大器進(jìn)行非線性修正。系，因此需要對電荷放大器進(jìn)行非線性修正。u由于脈搏信號頻率很低，是微弱信號，且干擾信號較多，由于脈搏信號頻率很低，是微弱信號，且干擾信號較多，濾波電路在設(shè)計中非常重要。濾波電路在設(shè)計中非常重要。u運算放大器應(yīng)盡量選擇低噪聲、低溫漂的器件。根據(jù)運算放大器應(yīng)盡量選擇低噪聲、低溫漂的器件。根據(jù)脈搏信號的特點，以及考慮高頻噪聲及溫度效應(yīng)噪聲脈搏信號的特點，以及考慮高頻噪聲及溫度效應(yīng)噪聲的影響，帶通濾波器的通帶頻率寬度應(yīng)選擇在的影響，帶通濾波器的通帶頻率寬度應(yīng)選擇在0.5Hz0.5Hz到到100Hz100Hz之間。之間?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十七頁，共57頁3 壓電式流量計：利用超聲波在順流方向和逆流方向的傳播速度進(jìn)行測量。其測量裝置是在管外設(shè)置兩個相隔一定距離的收發(fā)兩用壓電超聲換能器，每隔一段時間(如1/100s)，發(fā)射和接收互換一次。在順流和逆流的情況下，發(fā)射和接收的相位差與流速成正比。據(jù)這個關(guān)系，可精確測定流速。流速與管道橫截面積的乘積等于流量。 流量顯示1789輸出信號換能器換能器接收接收發(fā)射發(fā)射壓電式流量計5.4 壓電式傳感器的應(yīng)用現(xiàn)在學(xué)